《激光焊接及切割》PPT课件

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1、1 第 四 章 激 光 焊 接 及 切 割 激 光 的 特 征 ： 具 有 高 亮 度 、 高 方 向 性 、 高 单 色 性 和 高 相 干性 。（ 1） 激 光 的 高 亮 度 ： 固 体 激 光 器 的 亮 度 可 高达 1011W cm2， 比 太 阳 亮 16个 数 量 级 。 不 仅如 此 ， 具 有 高 亮 度 的 激 光 束 经 透 镜 聚 焦 后 ， 在焦 点 附 近 产 生 数 千 度 乃 至 上 万 度 的 高 温 ， 这 就使 其 可 能 可 加 工 几 乎 所 有 的 材 料 。 （ 2） 激 光 的 高 方 向 性 ： 激 光 的 高 方 向 性 使 其能 在 有

2、效 地 传 递 较 长 的 距 离 的 同 时 ， 还 能 保 证聚 焦 得 到 极 高 的 功 率 密 度 ， 这 两 点 都 是 激 光 加工 的 重 要 条 件 。 2 （ 3） 激 光 的 单 色 性 好 ： 由 于 激 光 的 单 色性 极 高 ， 从 而 保 证 了 光 束 能 精 确 地 聚 焦到 焦 点 上 ， 得 到 很 高 的 功 率 密 度 。（ 4） 激 光 的 高 相 干 性 ： 只 要 是 两 个 频 率相 同 、 相 位 差 恒 定 的 光 就 称 之 为 相 干 光 ，其 光 源 就 叫 相 干 光 光 源 3 第 一 节 激 光 焊 产 生 原 理 及 特 点

3、分 类 ： 激 光 器 输 出 能 量 方 式 脉 冲 激 光 点 焊 和 连 续 激光 焊 ； 根 据 聚 焦 后 光 斑 上 的 功 率 密 度 的 不 同 热 传 导 焊 接 和 激 光 深 熔 焊 。定 义 ： 将 高 强 度 的 激 光 束 辐 射 至 金 属 表 面 ， 通 过 激 光与 金 属 的 相 互 作 用 ， 金 属 吸 收 激 光 转 化 为 热 能使 金 属 熔 化 后 冷 却 结 晶 形 成 焊 接 。 4 第 一 节 激 光 焊 产 生 原 理 及 特 点一 、 激 光 焊 原 理（ 1） 熔 化 焊 （ 功 率 密 度 105W/cm2）当 激 光 照 射 在

4、材 料 表 面 时 ， 一 部 分 激 光被 反 射 ， 一 部 分 被 材 料 吸 收 ， 将 光 能 转化 为 热 能 而 加 热 熔 化 ， 材 料 表 面 层 的 热以 热 传 导 的 方 式 继 续 向 材 料 深 处 传 递 ，最 后 将 两 焊 件 熔 接 在 一 起 。 5 2） 小 孔 焊 （ 功 率 密 度 106W/cm2） 当 功率 密 度 比 较 大 的 激 光 束 照 射 到 材 料 表 面时 ， 材 料 吸 收 光 能 转 化 为 热 能 ， 材 料 被加 热 熔 化 至 汽 化 ， 产 生 大 量 的 金 属 蒸 汽 ，在 蒸 汽 退 出 表 面 时 产 生 的

5、 反 作 用 力 下 ，使 熔 化 的 金 属 液 体 向 四 周 排 挤 ， 形 成 凹坑 ， 随 着 激 光 的 继 续 照 射 ， 凹 坑 穿 入 更深 ， 当 激 光 停 止 照 射 后 ， 凹 坑 周 边 的 熔液 回 流 ， 冷 却 凝 固 后 将 两 焊 件 焊 接 在 起 。 6 7 根 据 实 际 的 材 料 性 质 和 焊 接 需 要 来 选 择 两 种 焊接 机 理 ， 通 过 调 节 激 光 的 各 焊 接 工 艺 参 数 得 到不 同 的 焊 接 机 理 。区 别 ： 前 者 熔 池 表 面 保 持 封 闭 ， 而 后 者 熔 池 则被 激 光 束 穿 透 成 孔 。

6、 传 导 焊 对 系 统 的 扰 动 较 小 ，深 熔 焊 时 ， 小 孔 的 不 断 关 闭 能 导 致 气 孔 。联 系 ： 可 以 在 同 一 焊 接 过 程 中 相 互 转 换 ， 由 传导 方 式 向 小 孔 方 式 的 转 变 取 决 于 施 加 于 工 件 的峰 值 激 光 能 量 密 度 和 激 光 脉 冲 持 续 时 间 。 8 激 光 深 熔 焊 接 的 主 要 工 艺 参 数 1)激 光 功 率 存 在 一 个 激 光 能 量 密 度 阈 值 ， 当 工 件 上 的 激 光功 率 密 度 超 过 阈 值 （ 与 材 料 有 关 ） ， 等 离 子 体才 会 产 生 ， 这

7、 标 志 着 稳 定 深 熔 焊 的 进 行 。激 光 功 率 低 于 此 阈 值 ， 工 件 仅 发 生 表 面 熔 化 ，也 即 焊 接 以 稳 定 热 传 导 型 进 行 。当 激 光 功 率 密 度 处 于 小 孔 形 成 的 临 界 条 件 附 近时 ， 深 熔 焊 和 传 导 焊 交 替 进 行 ， 成 为 不 稳 定 焊接 过 程 ， 导 致 熔 深 波 动 很 大 。 9 2)光 束 焦 斑 。 光 束 斑 点 大 小 是 激 光 焊 接 的 最 重 要 变 量 之 一 ，因 为 它 决 定 功 率 密 度 。 但 对 高 功 率 激 光 来 说 ，对 它 的 测 量 是 一

8、个 难 题 ， 尽 管 已 经 有 很 多 间 接测 量 技 术 。 10 3)材 料 吸 收 值 材 料 对 激 光 的 吸 收 取 决 于 材 料 的 一 些 重 要 性 能 ，如 吸 收 率 、 反 射 率 、 热 导 率 、 熔 化 温 度 、 蒸 发温 度 等 ， 其 中 最 重 要 的 是 吸 收 率 。 11 4)焊 接 速 度 焊 接 速 度 对 熔 深 影 响 较 大 ， 提 高 速 度 会使 熔 深 变 浅 ， 但 速 度 过 低 又 会 导 致 材 料过 度 熔 化 、 工 件 焊 穿 。 所 以 ， 对 一 定 激光 功 率 和 一 定 厚 度 的 某 特 定 材 料

9、有 一 个合 适 的 焊 接 速 度 范 围 ， 并 在 其 中 相 应 速度 值 时 可 获 得 最 大 熔 深 12 5)保 护 气 体 激 光 焊 接 过 程 常 使 用 惰 性 气 体 来 保 护 熔 池 ， 当某 些 材 料 焊 接 可 不 计 较 表 面 氧 化 时 则 也 可 不 考虑 保 护 ， 但 对 大 多 数 应 用 场 合 则 常 使 用 氦 、 氩 、氮 等 气 体 作 保 护 ， 使 工 件 在 焊 接 过 程 中 免 受 氧化 。 13 6)透 镜 焦 距 焊 接 时 通 常 采 用 聚 焦 方 式 会 聚 激 光 ， 一 般 选 用63254mm焦 距 的 透

10、镜 。 聚 焦 光 斑 大 小 与 焦 距成 正 比 ， 焦 距 越 短 ， 光 斑 越 小 。 14 7） 焦 点 位 置 焊 接 时 ， 为 了 保 持 足 够 功 率 密 度 ， 焦 点 位 置 至关 重 要 。 焦 点 与 工 件 表 面 相 对 位 置 的 变 化 直 接影 响 焊 缝 宽 度 与 深 度 。在 大 多 数 激 光 焊 接 应 用 场 合 ， 通 常 将 焦 点 的 位置 设 置 在 工 件 表 面 之 下 大 约 所 需 熔 深 的 1/4处 。 15 8)激 光 束 位 置 对 不 同 的 材 料 进 行 激 光 焊 接 时 ， 激 光 束 位 置 控制 着 焊

11、缝 的 最 终 质 量 ， 特 别 是 对 接 接 头 的 情 况比 搭 接 结 头 的 情 况 对 此 更 为 敏 感 。 16 9)焊 接 起 始 、 终 止 点 的 激 光 功 率 渐 升 、渐 降 控 制 激 光 深 熔 焊 接 时 ， 不 管 焊 缝 深 浅 ， 小 孔 现 象 始终 存 在 。 当 焊 接 过 程 终 止 、 关 闭 功 率 开 关 时 ，焊 缝 尾 端 将 出 现 凹 坑 。 17 激 光 深 熔 焊 的 优 点 1) 高 的 功 率 密 度 导 致 焊 接 速 度 快 ， 受 热 影 响 区 和 变形 都 很 小 ， 还 可 以 焊 接 钛 等 难 焊 的 材

12、料 。 2) 因 为 光 束 容 易 传 输 和 控 制 ， 又 不 需 要 经 常 更 换 焊 枪 、喷 嘴 ， 又 没 有 电 子 束 焊 接 所 需 的 抽 真 空 ， 显 著 减 少 停机 辅 助 时 间 ， 所 以 有 荷 系 数 和 生 产 效 率 都 高 。 3) 由 于 纯 化 作 用 和 高 的 冷 却 速 度 ， 焊 缝 强 度 、 韧 性 和综 合 性 能 高 。 4) 由 于 平 均 热 输 入 低 ， 加 工 精 度 高 ， 可 减 少 再 加 工 费用 ； 另 外 ， 激 光 焊 接 运 转 费 用 也 较 低 ， 从 而 可 降 低 工件 加 工 成 本 。 5)

13、 对 光 束 强 度 和 精 细 定 位 能 有 效 控 制 ， 容 易 实 现 自 动化 操 作 。 18 激 光 深 熔 焊 的 缺 点1) 焊 接 深 度 有 限 。 2) 工 件 装 配 要 求 高 。 3) 激 光 系 统 一 次 性 投 资 较 高 19 二 、 激 光 焊 接 特 点(1) 速 度 快 、 深 度 大 、 变 形 小 。 (2) 能 在 室 温 或 特 殊 条 件 下 进 行 焊 接 ， 焊 接 设备 装 置 简 单 。 例 如 ， 激 光 通 过 电 磁 场 ， 光 束 不会 偏 移 ； 激 光 在 真 空 、 空 气 及 某 种 气 体 环 境中 均 能 施

14、焊 ， 并 能 通 过 玻 璃 或 对 光 束 透 明 的 材料 进 行 焊 接 。(3) 可 焊 接 难 熔 材 料 如 钛 、 石 英 等 ， 并 能 对 异性 材 料 施 焊 ， 效 果 良 好 。(4) 激 光 聚 焦 后 ， 功 率 密 度 高 ， 在 高 功 率 器 件焊 接 时 ， 深 宽 比 可 达 5:1， 最 高 可 达 10:1。 20 (5) 可 进 行 微 型 焊 接 。 激 光 束 经 聚 焦 后 可 获 得很 小 的 光 斑 ， 且 能 精 确 定 位 ， 可 应 用 于 大 批 量自 动 化 生 产 的 微 、 小 型 工 件 的 组 焊 中 。(6) 可 焊

15、接 难 以 接 近 的 部 位 ， 施 行 非 接 触 远 距离 焊 接 ， 具 有 很 大 的 灵 活 性 。 尤 其 是 近 几 年 来 ，在 YAG激 光 加 工 技 术 中 采 用 了 光 纤 传 输 技 术 ，使 激 光 焊 接 技 术 获 得 了 更 为 广 泛 的 推 广 和 应 用 。(7) 激 光 束 易 实 现 光 束 按 时 间 与 空 间 分 光 ， 能进 行 多 光 束 同 时 加 工 及 多 工 位 加 工 ， 为 更 精 密的 焊 接 提 供 了 条 件 21 激 光 焊 接 缺 点(1) 焊 件 位 置 需 非 常 精 确 ， 务 必 在 激 光 束的 聚 焦

16、范 围 内 。(2) 最 大 可 焊 厚 度 受 到 限 制 ， 渗 透 厚 度 远超 过 19mm的 工 件 生 产 线 上 不 适 合 使 用 激光 焊 接 。(3) 焊 接 高 反 射 性 及 高 导 热 性 材 料 如 铝 、铜 及 其 合 金 等 时 ， 焊 接 性 会 变 差 。 22 (4) 当 进 行 中 能 量 至 高 能 量 的 激 光 束 焊 接时 ， 需 使 用 等 离 子 控 制 器 将 熔 池 周 围 的离 子 化 气 体 驱 除 ， 以 确 保 焊 道 的 再 出 现 。*(5) 能 量 转 换 效 率 太 低 ， 通 常 低 于 10%。(6) 焊 道 快 速

17、凝 固 ， 可 能 有 气 孔 及 脆 化 的顾 虑 。(7) 设 备 昂 贵 。 23 三 、 激 光 焊 过 程 中 的 等 离 子 云（ 1） 产 生 原 因激 光 是 光 波 ， 又 是 一 种 电 磁 波 ， 在 加 热 金 属 时产 生 两 种 现 象 ：一 是 金 属 被 激 光 加 热 气 化 后 ， 在 熔 池 上 方 形 成高 温 金 属 气 云 ， 当 激 光 功 率 密 度 很 大 时 ， 高 温金 属 蒸 气 将 在 电 磁 场 的 作 用 下 发 生 离 解 形 成 等离 子 体 ；二 是 焊 接 时 施 加 的 保 护 气 ， 在 高 功 率 密 度 激 光的 作

18、 用 下 也 能 离 解 形 成 等 离 子 云 。 因 此 ， 等 离子 云 的 产 生 不 仅 与 激 光 的 功 率 密 度 有 关 ， 而 且与 被 焊 金 属 的 性 质 及 保 护 气 有 关 。 24 （ 2） 等 离 子 云 对 焊 接 过 程 的 影 响激 光 焊 接 时 产 生 的 等 离 子 云 对 焊 接 过 程产 生 不 利 影 响 ， 位 于 熔 池 上 方 的 等 离 子云 ， 对 激 光 的 吸 收 系 数 很 大 ， 它 相 当 于一 种 屏 蔽 ， 吸 收 部 分 激 光 ， 使 金 属 表 面得 到 的 激 光 能 量 减 少 ， 焊 接 熔 深 减 小

19、，焊 缝 表 面 增 宽 ， 形 成 “ 图 钉 ” 状 焊 缝 ，而 且 焊 接 过 程 不 稳 定 。 25 （ 3） 抑 制 等 离 子 云 的 方 法焊 接 过 程 中 克 服 等 离 子 云 影 响 的 最 常 规方 法 是 通 过 喷 嘴 对 熔 池 表 面 喷 吹 惰 性 气体 。 可 以 利 用 气 体 的 机 械 吹 力 驱 除 等 离子 云 ， 使 其 偏 离 熔 池 上 方 。还 可 以 利 用 较 低 温 度 的 气 体 降 低 熔 池 上方 高 温 气 体 的 温 度 ， 抑 制 产 生 等 离 子 云的 高 温 条 件 。 26 采 用 高 频 脉 冲 激 光 焊

20、， 使 每 个 激 光 脉 冲的 加 热 时 间 少 于 等 离 子 云 形 成 的 时 间采 用 高 速 焊 或 较 短 波 长 的 激 光 进 行 焊 接 ， 27 四 、 激 光 焊 接 的 焊 缝 形 状焊 缝 形 状 深 而 窄 ， 即 具 有 较 大 的 熔 深 熔宽 比 ， 在 高 功 率 器 件 焊 接 时 ， 深 宽 比 可达 5： l， 最 高 可 达 10： 1。 28 五 、 激 光 焊 接 焊 缝 的 组 织 性 能采 用 大 功 率 激 光 光 束 焊 接 时 ， 因 其 能 量密 度 极 高 ， 被 焊 工 件 经 受 快 速 加 热 和 冷却 的 热 循 环 作

21、 用 ， 使 得 焊 缝 和 热 影 响 区区 域 极 窄 ， 其 硬 度 远 远 高 于 母 材 ， 因 此 ，该 区 域 的 塑 性 相 对 较 低 。 为 了 降 低 接 头区 域 的 硬 度 ， 应 采 取 焊 接 前 预 热 和 焊 后回 火 等 相 应 的 工 艺 措 施 29 第 二 节 激 光 焊 设 备激 光 焊 接 设 备 主 要 包 括 ：激 光 器 、光 束 偏 转 及 聚 焦 系 统 、光 束 检 测 器 、激 光 焊 接 机 （ 或 专 用 焊 机 ）控 制 系 统 组 成 。 30 一 、 激 光 器1、 固 体 激 光 器 激 光 工 作 物 质 （ 红 宝 石

22、 、 YAG或钕 玻 璃 棒 ）聚 光 器谐 振 腔 (全 反 镜 和 输 出 窗 口 )泵 灯 、 电 源 及 控 制 设 备 组 成 31 固 体 激 光 器 的 工 作 过 程 打 开 充 电 开 关 变 压 器 升 压 整 流 电 容 器 充 电达 到 额 定 电 压充 电 完 毕 放 电 开 关 打 开 氙 灯 发 光照 射 YAG产 生 激 光 谐 振 腔 放 大 输 出 32 2、 气 体 激 光 器 1)封 闭 式 或 半 封 闭 式 CO2激 光 器 2)横 流 式 CO2激 光 器u3） 快 速 轴 流 式 CO2激 光 器 如 图 33 表 4-1 焊 接 和 切 割 用

23、 激 光 器 特 点激 光 器 波 长(m) 工 作方 式 重 复 频 率(Hz) 输 出 功 率 或能 量 范 围 主 要 用 途红 宝 石 激 光器 0.6943 脉 冲 0 1 0 100J 点 焊 、 打 孔钕 玻 璃 激 光器 1.06 脉 冲 0 1/10 0 100J 点 焊 、 打 孔YAG激 光 器(钇 铝 石 榴 石 ) 1.06 脉 冲连 续 0 400 0 100J0 2kW 点 焊 、 打 孔焊 接 、 切 割 、 表 面处 理封 闭 式 C0 2激光 器 10.6 连 续 0 1kW 焊 接 、 切 割 、 表 面处 理横 流 式 C02激光 器 10.6 连 续

24、0 25kW 焊 接 、 表 面 处 理 等快 速 轴 流 式C02激 光 器 10.6 连 续脉 冲 0 5000 0 6kW 焊 接 、 切 割 34 3、 激 光 模 式 激 光 器 输 出 光 束 的 模 式 是 指 光 束 横 断 面上 的 能 量 分 布 情 况 。 模 式 与 光 束 的 聚 焦特 性 密 切 相 关 。模 式 越 低 ， 聚 焦 后 的 光 点 愈 小 ， 功 率 密度 即 越 大 。 对 切 割 和 焊 接 ， 要 求 激 光 器输 出 基 模 或 低 阶 模 35 表 4-2 CO2气 体 激 光 器 和 YAG固 体 激 光 器 比 较- 波 长(m) 可

25、 输 出功 率 光 束质 量 光 线传 输 光 学 部 件 运 行 消 耗 和 维 护CO 2气 体激 光 器 10.6 大 好 不 可 需 用 特 殊 材 料的 光 学 部 件 需 要 消 耗 气 体 ，清 理 电 极 麻 烦YAG固 体激 光 器 1.06 小 次 之 可 可 用 普 通 光 学部 件 制 造 只 需 必 要 时 更 换泵 灯 ， 维 护 简 单 36 二 、 光 束 偏 转 及 聚 焦 系 统 37 三 、 光 束 检 测 器光 束 检 测 器 有 两 个 作 用 ：一 是 可 随 时 监 测 激 光 器 的 输 出 功 率 ；二 是 可 以 检 测 激 光 束 横 断

26、面 上 的 能 量 分布 ， 以 确 定 激 光 器 的 输 出 模 式 。大 多 数 光 束 检 测 器 只 有 第 一 个 作 用 ， 所以 又 称 为 激 光 功 率 计 38 四 、 激 光 焊 接 机 它 的 作 用 是 实 现 光 束 与 工 件 之 间 的 相 对运 动 ， 完 成 激 光 焊 接 ， 分 焊 接 专 机 和 通用 焊 接 机 两 种 。 后 者 常 采 用 数 控 系 统 ，有 直 角 坐 标 二 维 、 三 维 焊 接 机 或 关 节 型激 光 焊 接 机 器 人 39 第 三 节 激 光 焊 应 用一 、 激 光 焊 在 电 子 领 域 的 应 用 40 二

27、 、 激 光 焊 接 在 汽 车 行 业 的 应 用汽 车 工 业 中 ， 激 光 技 术 主 要 用 于 车 身 拼焊 、 焊 接 和 零 件 焊 接 。 激 光 拼 焊 是 在 车身 设 计 制 造 中 ， 根 据 车 身 不 同 的 设 计 和性 能 要 求 ， 选 择 不 同 规 格 的 钢 板 ， 通 过激 光 截 剪 和 拼 装 技 术 完 成 车 身 某 一 部 位的 制 造 41 三 、 激 光 焊 接 在 粉 末 冶 金 领 域 的 应 用如 采 用 粉 末 冶 金 材 料 连 接 中 常 用 的 钎 焊的 方 法 焊 接 金 刚 石 ， 由 于 结 合 强 度 低 ，热 影

28、 响 区 宽 特 别 是 不 能 适 应 高 温 及 强 度要 求 高 而 引 起 钎 料 熔 化 脱 落 ， 采 用 激 光焊 接 可 以 提 高 焊 接 强 度 以 及 耐 高 温 性 能 。 42 四 、 激 光 焊 接 在 塑 料 行 业 的 应 用激 光 焊 接 塑 料 的 基 本 原 理 是 ： 两 种 塑 料 在 低 压 力 下 被 夹 紧 在 一 起 ，激 光 穿 过 一 个 制 品 ， 然 后 被 另 外 一 个 制 品 吸 收 ， 吸 收 激 光 能 量 的制 品 将 光 能 转 化 为 热 能 ， 在 塑 料 的 接 触 面 熔 化 ， 形 成 一 个 焊 接 区 。 4

29、3 与 传 统 的 塑 料 焊 接 技 术 相 比 ， 激 光 焊 接 塑料 技 术 主 要 有 以 下 几 方 面 的 优 点 ：l 1、 焊 缝 精 密 、 牢 固 和 密 封 性 （ 不 透 气 和 不 漏水 ） 能 好 ；2、 易 于 控 制 ， 具 有 良 好 的 适 应 性 ；3、 极 大 地 减 小 了 制 品 的 振 动 应 力 和 热 应 力 ；4、 能 够 将 许 多 种 类 不 同 的 材 料 焊 接 在 一 起 。5、 目 前 市 场 上 的 塑 料 激 光 焊 接 机 主 要 采 用 波长 为 1064m的 半 导 体 激 光 器 作 为 光 源 。 44 五 、 激

30、 光 在 医 疗 领 域 的 应 用澳 大 利 亚 外 科 医 生 将 采 用 “ 焊 接 ” 方 法 来 取 代普 通 的 外 科 缝 合 手 术 ， 新 方 法 利 用 激 光 器 使 蛋白 质 熔 化 ， 从 而 将 两 处 受 伤 表 面 粘 接 在 一 起 。新 工 艺 已 顺 利 通 过 动 物 试 验 ， 人 体 临 床 试 验 也将 进 行 ， 仪 器 研 制 者 希 望 ， 新 仪 器 能 用 于 受 伤神 经 和 四 肢 的 “ 缝 合 ” 。 欧 文 博 士 认 为 ， 新 工艺 能 减 少 伤 疤 的 形 成 ， 同 时 利 用 激 光 “ 缝 合 ”能 明 显 缩 短

31、 手 术 时 间 。 例 如 ， 用 普 通 方 法 缝 合受 损 的 动 脉 需 要 45分 钟 ， 而 采 用 激 光 “ 缝 合 ”仅 需 2分 钟 。 45 第 四 节 激 光 焊 接 发 展 方 向一 、 复 合 焊 接 （ YAG激 光 与 脉 冲 MIG复 合 焊 接 ）发 展 的 原 因定 义 46 激 光 复 合 焊 接 优 点 ：1)可 增 加 焊 接 熔 深2)提 高 焊 接 速 度 与 生 产 率3)改 善 接 头 性 能 4)降 低 设 备 成 本 的 同 时 ， 通 过 激 光 与 电 弧 的 相 互作 用 ， 来 改 善 激 光 能 量 的 耦 合 特 性 和 电

32、 弧 的 稳定 性 ， 以 获 得 一 种 综 合 的 效 果 。 47 二 、 光 束 旋 转 激 光 焊使 激 光 束 旋 转 进 行 焊 接 的 方 法 ， 也 可 大 大 降 低焊 件 装 配 以 及 光 束 对 中 的 要 求例 如 在 2mm厚 高 强 合 金 钢 板 对 接 时 ， 容 许 对 缝装 配 间 隙 从 0.14mm增 大 到 0.25mm； 而 对 4mm厚 的 板 ， 则 从 0.23mm增 大 到 0.30mm。 光 束 中心 与 焊 缝 中 心 的 对 准 允 许 误 差 从 0.25mm增 加至 0.5mm。 48 三 、 激 光 焊 接 质 量 在 线 检

33、 测 与 控 制 49 1、 等 离 子 体 监 测 传 感 器 1) 等 离 子 体 光 学 传 感 器 （ PS） ： 它 的 作用 是 采 集 等 离 子 体 的 特 征 光 -紫 外 光 信 息 。2) 等 离 子 体 电 荷 传 感 器 （ PCS） ； 利 用 喷嘴 做 探 针 检 测 由 于 等 离 子 体 带 电 粒 子 （ 正离 子 、 电 子 ） 的 不 均 匀 扩 散 而 在 喷 嘴 和 工件 之 间 形 成 的 电 位 差 。 50 2、 系 统 功 能1) 识 别 激 光 焊 接 过 程 属 于 何 种 方 式 。2) 诊 断 传 输 到 焊 接 区 的 激 光 功

34、率 是 否 正 常 。3) 喷 嘴 高 度 自 动 跟 踪 。4) 焦 点 位 置 自 动 寻 优 和 闭 环 控 制 。 51 第 五 节 激 光 切 割 52 一 、 激 光 切 割 原 理 53 二 、 激 光 切 割 类 型1、 激 光 汽 化 切 割利 用 高 能 量 密 度 的 激 光 束 加 热 工 件 ， 使温 度 迅 速 上 升 ， 在 非 常 短 的 时 间 内 达 到材 料 的 沸 点 ， 材 料 开 始 汽 化 ， 形 成 蒸 气 。这 些 蒸 气 的 喷 出 速 度 很 大 ， 在 蒸 气 喷 出的 同 时 ， 在 材 料 上 形 成 切 口 。 材 料 的 汽化 热

35、 一 般 很 大 ， 所 以 激 光 汽 化 切 割 时 需要 很 大 的 功 率 和 功 率 密 度 。 54 2、 激 光 熔 化 切 割激 光 熔 化 切 割 时 ， 用 激 光 加 热 使 金 属 材料 熔 化 ， 然 后 通 过 与 光 束 同 轴 的 喷 嘴 喷吹 非 氧 化 性 气 体 （ Ar、 He、 N等 ） ， 依靠 气 体 的 强 大 压 力 使 液 态 金 属 排 出 ， 形成 切 口 。 激 光 熔 化 切 割 不 需 要 使 金 属 完全 汽 化 ， 所 需 能 量 只 有 汽 化 切 割 的 1/10。 55 3、 激 光 氧 气 切 割激 光 氧 气 切 割

36、原 理 类 似 于 氧 -乙 炔 切 割 。它 是 用 激 光 作 为 预 热 热 源 ， 用 氧 气 等 活性 气 体 作 为 切 割 气 体 。 喷 吹 出 的 气 体 一方 面 与 切 割 金 属 作 用 ， 发 生 氧 化 反 应 ，放 出 大 量 的 氧 化 热 ； 另 一 方 面 把 熔 融 的氧 化 物 和 熔 化 物 从 反 应 区 吹 出 ， 在 金 属中 形 成 切 口 。 56 4、 激 光 划 片 与 控 制 断 裂激 光 划 片 是 利 用 高 能 量 密 度 的 激 光 在 脆性 材 料 的 表 面 进 行 扫 描 ， 使 材 料 受 热 蒸发 出 一 条 小 槽

37、， 然 后 施 加 一 定 的 压 力 ，脆 性 材 料 就 会 沿 小 槽 处 裂 开 。 激 光 划 片用 的 激 光 器 一 般 为 O2开 关 激 光 器 和 CO2激 光 器 。 57 三 、 激 光 切 割 的 特 点1、 切 割 质 量 好1) 由 于 激 光 光 斑 小 、 能 量 密 度 高 、 切 割 速 度 快 ， 因 此激 光 切 割 能 够 获 得 较 好 的 切 割 质 量 。2) 切 割 表 面 光 洁 美 观 ， 表 面 粗 糙 度 只 有 几 十 微 米 ， 甚至 激 光 切 割 可 以 作 为 最 后 一 道 工 序 ， 无 需 机 械 加 工 ，零 部 件

38、 可 直 接 使 用 。3) 材 料 经 过 激 光 切 割 后 ， 热 影 响 区 宽 度 很 小 ， 切 缝 附近 材 料 的 性 能 也 几 乎 不 受 影 响 ， 并 且 工 件 变 形 小 ， 切割 精 度 高 ，4) 切 缝 的 几 何 形 状 好 ， 切 缝 横 截 面 形 状 呈 现 较 为 规 则的 长 方 形 ， 切 口 细 窄 ， 切 缝 两 边 平 行 且 与 表 面 垂 直 ，切 割 零 件 的 尺 寸 精 度 可 达 0.05mm。 58 2、 切 割 效 率 高由 于 激 光 的 传 输 特 性 ， 激 光 切 割 机 上 一 般 配 有多 台 数 控 工 作 台

39、 ， 整 个 切 割 过 程 可 以 全 部 实 现数 控 。 操 作 时 ， 只 需 改 变 数 控 程 序 ， 就 可 适 用不 同 形 状 零 件 的 切 割 ， 既 可 进 行 二 维 切 割 ， 又可 实 现 三 维 切 割 。切 割 速 度 快 ， 用 功 率 为 1200W的 激 光 切 割2mm厚 的 低 碳 钢 板 ， 切 割 速 度 可 达 600cm/min；切 割 5mm厚 的 聚 丙 烯 树 脂 板 ， 切 割 速 度 可 达1200cm/min。 材 料 在 激 光 切 割 时 不 需 要 装 夹固 定 ， 既 可 节 省 工 装 夹 具 ， 又 节 省 了 上 、

40、 下 料的 辅 助 时 间 。 59 3、 非 接 触 式 切 割4、 激 光 切 割 过 程 噪 声 低 ， 振 动 小 ， 无 污染 。5、 可 切 割 材 料 的 种 类 多 60 6、 激 光 切 割 的 缺 点激 光 切 割 由 于 受 激 光 器 功 率 和 设 备 体 积的 限 制 ， 激 光 切 割 只 能 切 割 中 、 小 厚 度的 板 材 和 管 材 ， 而 且 随 着 工 件 厚 度 的 增加 ， 切 割 速 度 明 显 下 降 。另 外 ， 激 光 切 割 设 备 费 用 高 ， 一 次 性 投资 大 。 61 四 、 激 光 切 割 设 备 和 装 置 62 图 4

41、-8 典 型 CO2激 光 切 割 设备 的 基 本 构 成1-冷 却 水 装 置 2-激 光 气 瓶 3-辅 助 气 体 瓶 4-空 气 干 燥 器 5-数 控 装 置 6-操 作 盘7-伺 服 电 动 机 8-切 割 工 作 台 9-割 炬 10-聚 焦 透 镜 11-丝 杆 12-反 射 镜 13-激 光 束14-反 射 镜 15-激 光 振 荡 器 16-激 光 电 源 17-伺 服 电 动 机和 割 炬 驱 动 装 置 63 激 光 切 割 设 备 各 结 构 的 作 用 如 下 ： 激 光 电 源 供 给 激 光 振 荡 用 的 高 压 电 源 。 激 光 振 荡 器 产 生 激

42、光 的 主 要 设 备 折 射 反 射 镜 用 于 将 激 光 导 向 所 需 要 的 方 向 。 为使 光 束 通 路 不 发 生 故 障 ， 所 有 反 射 镜 都 要 用 保 护罩 加 以 保 护 。 割 炬 主 要 包 括 枪 体 、 聚 焦 透 镜 和 辅 助 气 体 喷 嘴等 零 件 。 切 割 工 作 平 台 用 于 安 放 被 切 割 工 件 ， 并 能 按 控制 程 序 正 确 而 精 确 地 进 行 移 动 ， 通 常 由 伺 机 电 机驱 动 。 割 炬 驱 动 装 置 用 于 按 照 程 序 驱 动 割 炬 沿 X轴 和Z轴 方 向 运 动 ， 由 伺 服 电 动 机

43、和 丝 杆 等 传 动 件 组 成 。 64 数 控 装 置 对 切 割 平 台 和 割 炬 的 运 动 进 行 控制 ， 同 时 也 控 制 激 光 器 的 输 出 功 率 。 操 作 盘 用 于 控 制 整 个 切 割 装 置 的 工 作 过 程 。 气 瓶 包 括 激 光 工 作 介 质 气 瓶 和 辅 助 气 瓶 ，用 于 补 充 激 光 振 荡 的 工 作 气 体 和 供 给 切 割 用 辅助 气 体 。 冷 却 水 循 环 装 置 用 于 冷 却 激 光 振 荡 器 。 激光 器 是 利 用 电 能 转 换 成 光 能 的 装 置 ， 如 C02气体 激 光 器 的 转 换 效 率

44、 一 般 为 20%， 剩 余 的 80%能 量 就 变 换 为 热 量 。 冷 却 水 把 多 余 的 热 量 带 走以 保 持 振 荡 器 的 正 常 工 作 。 空 气 干 燥 器 用 于 向 激 光 振 荡 器 和 光 束 通 路供 给 洁 净 的 干 燥 空 气 ， 以 保 持 通 路 和 反 射 镜 的正 常 工 作 。 65 五 、 激 光 切 割 机 类 型1、 数 控 切 割 机 床 。由 三 部 分 组 成 ， 即 工 作 台 （ 一 般 为 精 密 机 床 ） 、 光 束传 输 系 统 （ 有 时 称 外 光 路 ， 即 激 光 器 发 出 的 光 束 到 达工 件 前

45、整 个 光 程 内 光 束 的 传 输 光 学 、 机 械 构 件 ） 和 微机 数 控 系 统 。 按 切 割 炬 与 工 作 台 相 对 移 动 的 方 式 ， 可分 为 以 下 三 种 类 型 ：（ 1） 在 切 割 过 程 中 ， 光 束 （ 由 割 炬 射 出 ） 与 工 作 台 都移 动 ， 一 般 光 束 沿 Y向 移 ， 工 作 台 在 X向 移 。（ 2） 在 切 割 过 程 中 ， 只 有 光 束 （ 割 炬 ） 移 动 ， 工 作 台不 移 动 。（ 3） 在 切 割 过 程 中 ， 只 有 工 作 台 移 动 ， 而 光 束 （ 割 炬 ）则 固 定 不 动 。 66

46、67 2、 五 轴 机一 般 的 二 轴 、 三轴 激 光 切 割 机只 能 切 割 二 维平 面 工 件 ， 切割 三 维 立 体 构件 ， 需 要 装 备有 机 械 手 的 切割 机 ， 即 五 轴机 。 68 3、 激 光 冲 切 机 。多 年 来 ， 国 外 发 展 了 综 合 激 光 切 割 和 机械 冲 孔 技 术 的 激 光 冲 切 机 ， 这 种 机 械 对复 杂 形 状 的 工 件 用 机 械 方 法 模 冲 出 内 孔 ，然 后 用 激 光 切 割 方 法 切 出 外 缘 和 需 要 长距 离 切 割 的 线 条 。 69 第 六 节 激 光 安 全 防 护一 、 激 光

47、对 人 体 的 生 物 效 应1、 热 效 应2、 光 效 应3、 光 敏 作 用4、 光 致 损 伤5、 压 力 效 应6、 电 磁 场 效 应 70 二 、 激 光 对 人 体 的 危 害1、 激 光 对 眼 睛 的 危 害 2、 激 光 对 神 经 的 影 响3、 激 光 对 皮 肤 的 损 伤 71 三 、 激 光 安 全 防 护1、 除 非 在 特 殊 情 况 下 ， 使 用 激 光 器 一 般 都 必须 在 密 闭 室 内 空 间 。 并 在 激 光 工 作 地 点 的 门 口和 室 内 贴 上 警 示 标 签 ， 激 光 加 工 台 要 用 玻 璃 等屏 蔽 ， 防 止 反 射 光 。2、 在 激 光 设 备 上 应 有 明 显 的 危 险 警 告 标 志 ，设 备 应 有 安 全 保 护 装 置 。3、 激 光 光 路 系 统 应 尽 可 能 全 封 闭 ， 防 止 直 接照 射 的 发 生 。4、 不 要 直 视 激 光 光 束 ， 对 大 功 率 红 外 或 紫 外的 不 可 见 光 尤 其 要 注 意 。5、 任 何 时 候 都 不 要 忘 记 戴 防 护 镜 。6、 只 允 许 有 经 验 的 工 作 人 员 对 激 光 器 进 行 操作 和 进 行 激 光 加 工 。